粉末冶金成形技术样本

第四章粉末冶金成形技术
一、粉末冶金成形定义：
用金属粉末或金属与非金属粉末混合物作原料，采用压制、烧结及后解决等工序来制造某些金属材料、复合材料或制品工艺技术。

粉末冶金生产工艺与陶瓷制品生产工艺相似，因而粉末冶金成型技术又经常叫金属陶瓷法。

办法：将均匀混合粉末材料压制成形，借助粉末原子间吸引力和机械啮合伙用，使制品结合成为具备一定强度整体，然后再高温烧结，进一步提高制品强度，获得与普通合金相似组织。

二、粉末冶金材料或制品
1. 难熔金属及其合金（如钨、钨——钼合金）；
2. 组元彼此不相溶，熔点十分悬殊特殊性能材料，如钨——铜合金；
3. 难溶化合物或金属构成复合材料（如硬质合金、金属陶瓷）
三、粉末冶金成型技术特点：
1. 某些特殊性能材料唯一成型办法；
2. 可直接制出尺寸精确，表面光洁零件，是少甚至无切削生产工艺；
3. 节约材料和加工工时；
4. 制品强度较低；
5. 流动性较差，形状受限；
6. 压制成型压强较高，制品尺寸较小；
7. 压模成本较高。

四、粉末冶金成形过程
原始粉末+添加剂→混合→压制成型→烧结→零件成品
五、粉末冶金工艺理论基本
一）、金属粉末性能
金属粉末性能对其成型和烧结过程及制品质量有重要影响，分为化学成
分、物理性能和工艺性能。

固态物质按分散限度不同分为致密体、粉末和胶体。

致密体：普通所说固体，粒径在1mm以上；
胶体微粒：粒径在0.1μm如下；
粉末体或简称粉末：粒径介于两者之间。

1. 粉末化学成分
重要金属或组元含量，杂质或夹杂物含量，气体含量。

金属含量普通不低于98-99%。

2. 粉末物理性能
1）颗粒形状：球状、粒状、片状和针状。

影响粉末流动性、松装密度等。

2）粒度：粉末颗粒线性尺寸，用“目”来表达，用筛分法等测量。

对压制时比压、烧结时收缩及烧结制品力学性能有影响。

3）粒度分布：按粒度不同分为若干级，每一级粉末（按质量、数量或体积）所占比例。

对粉末压制和烧结有影响。

4）颗粒比表面积：单位质量粉末总表面积，可算出颗粒平均尺寸。

对粉末压制和烧结有影响。

3. 粉末工艺性能
1）流动性：粉末流动能力，用50g粉末在规定条件下从原则漏斗中流出所需时间来表达,单位为s/50g。

等轴状或粗颗粒粉末流动性好，但受颗粒粘附作用影响。

流动性直接影响压制操作时自动装粉和最后得到压件密度均匀性。

2）松装密度
在规定条件下粉末自由填充单位容积重量，单位为g/cm3.
颗粒较粗、密度较大粉末，松装密度大。

松装密度不同，压制成形坯料高度或孔隙率不同。

3）压缩性
在加压条件下粉末被压缩限度，用规定压力下粉末所能达到压坯密度表达。

提高压制力或松装密度、减小压坯速度或粉末强度，压缩性增大，压坯密度增长。

4）成形性
粉末被压缩成一定形状并在后续加工中保持这种形状能力。

一定压力下获得压坯强度越高，成形性越好。

二、粉末压制原理
1.压制机理：在模具或其她容器中，在外力作用下，将粉末紧实成具备预定形状和尺寸工艺过程。

松散粉末加压→(1空隙被填满 2.氧化膜被破碎 3.接触面积增大 4.原子产生吸引力5颗粒间机械咬合伙用增强)→具备一定密度和强度压坯
三、粉末烧结原理
烧结定义：粉末或压坯在低于重要组分熔点温度下加热并保温一定期间，使粉末颗粒间产生一系列物理、化学变化（原子扩散、固溶和化合），从而获得一定物理及力学性能材料或制品工序。

烧结目：通过颗粒间冶金结合以提高其强度。

烧结原理：（1.表面能大 2.构造缺陷多 3.活性状态原子多）→加热→（1.粉末物质迁移2.再结晶 3.晶粒长大）→颗粒接触面积增大→压坯空隙减少，密度增大，强度增长
烧结分类
1. 固相烧结：烧结发生在低于其构成成分熔点温度，成分不发生熔化。

2. 液相烧结：烧结发生在两种构成成分熔点之间，烧结过程中液体、固体同步存在。

如硬质合金和金属陶瓷制品烧结。

液相烧结时，在液相表面张力作用下，颗粒互相靠紧，故烧结速度快，制品强度高。

烧结时影响因素：
烧结温度、烧结时间和大气环境、粉末材料、颗粒尺寸及形状、表面特性以及压制压力等。

烧结温度影响：
1）烧结温度过高或时间过长，会使压坯歪曲或变形，其晶粒亦大，产生所谓“过烧”废品；
2）烧结温度过低或时间过短，则产品结合强度等性能达不到规定，产生所谓“欠烧”废品。

惯用材料烧结温度和烧结氛围如课本表4.2所示
四、粉末冶金工艺流程
粉末制备、粉末预解决、成形、烧结和烧结后解决
一）、粉末制备
重要取决于该材料性能及制取办法成本。

按转变作用原理将粉末制取办法分为：
☆机械法☆物理化学法
机械法：将原材料进行机械粉碎，而其化学成分基本不发生变化；
物理、化学法：借助物理或化学作用变化材料汇集状态或化学成
分来获得粉末。

1. 机械法：靠压碎、击碎和磨削等作用，将块状金属或合金粉碎成粉末制粉办法。

1）粉碎法：球磨法，合用脆性材料或通过脆化解决金属粉末，是粉碎法中最惯用办法。

但对于软态金属粉，可采用漩涡研磨法，即通过螺旋桨作用产生漩涡
高速气流，使金属颗粒自行互相撞击而磨碎。

2）雾化法：采用高速气流或水流，使液态金属雾化、冷凝成细小粒状金属粉末。

工艺简朴，可持续、大量生产而被广泛应用。

2. 物理、化学办法
1）物理法：蒸气冷凝法，将金属蒸气冷凝而制取金属粉末。

制取蒸气压较大金属，如Zn等，规定金属具备较低熔点和较高挥发性。

2）化学法：还原法、电解法
☆电解法
金属盐水溶液中电解沉积金属粉末。

制粉工艺简朴，粉末纯度高，颗粒呈树枝状，其成形性和烧结性好，但生产成本比还原法和雾化法要高，因而只是特殊性能规定期采用。

二）、粉末预解决
1.退火
2.筛分3混合4制粒（p244）
三）、粉末成形
1.粉末成形过程
将松散粉末置于压模中受一定压力后，使其成为具备一定尺寸、形状、密度、强度压坯。

1）粉末颗粒产生相对移动并重新排布，孔隙被填充，随着压力增大，使压坯密度急剧增大，达到最大松装密度。

2）粉末颗粒互相压紧，再继续增大压力时，压坯密度无变化；
3）随着压力继续增长，粉末颗粒发生弹、塑性变形或脆断，压坯密度进一步增大。

2. 粉末成形办法
封闭钢模压制成形：常温下将金属粉末装入钢模型腔中，通过模冲对粉末加压使之成型为压坯。

1）单向压制：阴模和下模冲不动，上模冲单向对粉末施加压力。

模具简朴，操作以便，生产率高，但由于上模冲和阴模间摩擦阻力作用，使制品上下两端密度不均匀。

压坯直径越小，高度越大，密度越不均匀。

合用于压制高度或厚度较小制品。

2）双向压制：阴模固定不动，上、下模冲以大小相等，方向相反压力同步对粉末施加压力，使得制品中间密度低、两端密度高。

压坯密度较单向压制均匀，合用于压制高度或厚度较大制品。

3）浮动模压制：阴模由弹簧支撑。

开始下模冲固定不动，由上模冲对粉末施压，当施压一定限度时，模壁与粉末间摩擦力增大，超过弹簧支撑力时，阴模将与上模冲一起运动，相称于下模冲上升，实现双向压制。

压坯密度较单向压制均匀，合用于压制高度或厚度较大制品。

4）引下法：阴模不断被加压，与上模冲一起下将，当压制结束后，上模冲回升，阴模继续下降，直到下模冲上压坯呈静止状态脱出。

压制形状复杂零件和因摩擦力小而不能浮动压制制品。

3. 粉末成型中基本问题
1）摩擦办法：压坯从阴模中脱出时，与阴模壁摩擦阻碍脱模。

办法：采用一定润滑剂混合金属粉末中，但会对压坯性能产生影响，另一种办法是模壁润滑法。

2）压坯沿高度密度不均：压制过程中会产生垂直压模壁侧压力，侧压力作用使接近模壁外层粉末与模壁之间产生摩擦，使接近模冲断面处压力大，远离模冲端面处压力减小，压力分布不均使压坯各个某些密度分布不均匀。

办法：①减小摩擦力，在模具内壁上涂抹润滑油，或提高模具内壁表面光洁度；②采用双向压制可改进；③设计模具时，尽量减小高径比。

四）、烧结工艺
将成型坯体在低于其重要成分熔点温度下加热，粉体互相结合并发生收缩与致密化，形成具备一定强度和性能固体材料过程。

烧结是一种自发不可逆过程，系统表面能减少是推动烧结进行基本动力。

1）、烧结过程：
a . 烧结初期：坯料中颗粒重排，接触处产生键合，空隙变形、缩小（大气孔消失），固—气总表面积没有变化。

b. 烧结中期：传质开始，粒界增大，空隙进一步变形，变小，但依然连通，形如隧道。

c. 烧结后期：传质继续进行，粒径增大，气孔变成孤立闭气孔，密度达到95%以上，制品强度高。

2）烧结办法
a.持续烧结：待烧结材料持续地、平稳地通过烧结炉进行烧结。

生产率高，合用于大批、大量生产。

b. 间歇烧结：在炉内分批烧结零件方式。

生产率低，合用于单件、小批生产。

c. 固相烧结：烧结速度较慢，制品强度较低。

d. 液相烧结：烧结速度较快，制品强度较高，用于具备特殊性能制品。

3）,影响粉末制品烧结质量因素
粉末制品烧结质量取决于烧结温度、烧结时间和烧结氛围。

a. 烧结温度和时间：烧结温度过高或过低，时间过长或过短，都会使产品性能下降。

普通烧结温度高，保温时间短。

b. 烧结氛围：烧结时普通采用还原性氛围，以防压坯烧损并可使表面氧化物还原。

4）.烧结后解决
a. 复压:提高烧结体精度和性能而进行施加压力解决办法。

b. 浸渗：运用烧结件空隙，在烧结件中浸入各种液态过程。

浸油和塑料可改进烧结体润滑性；浸熔融金属可改进烧结体强度和耐磨性。

c. 切削加工:在制品上加工横槽、横孔等.
d. 热解决:进一步提高制品强度和硬度。

e. 表面保护解决提高制品耐蚀性等性能。

五、粉末制品构造工艺性（参照课本表4.3)
1. 尽量采用形状简朴、对称形状，避免截面变化过大以及窄槽、球面等。

2. 避免局部薄壁，壁厚普通不不大于2mm，壁厚尽量均匀,以利于装粉压
实和防止浮现裂纹。

3.避免侧壁上径向孔和径向槽浮现，这个普通是不能压制，需要在烧结后用切削加工来完毕。

4.沿压制方向截面有变化时，只能沿压制方向逐渐缩小，而不能逐渐增大，以利压实。

5.各壁交接处应避免尖角，采用圆角或倒角过渡。

圆角半径不不大于0.5mm，球面某些应留出小块平面。

6.锥面和斜面需要一段平直带，避免模具浮现易损现象。

7.与压制方向一致内孔、外凸台等，要有一定锥度，可以简化模冲构造，利于脱模。

8. 阶梯圆柱体每级直径之差不适当不不大于3mm，每级长度与直径之比应在3如下。

表4.34.
9. 粉末冶金制品上无法压制出网状花纹。

表4.35
10. 粉末冶金制品上应避免小而薄凸台，不利于制出工件，如表中11.
11. 壁厚应均匀，尽量采用对称构造，以利于压坯密度均匀，表中13.
六、粉末冶金材料
粉末冶金惯用制作减摩材料、构造材料、摩擦材料、硬质合金、难溶金属材料、过滤材料、金属陶瓷、无偏析高速工具钢、磁性材料、耐热材料等。

一）硬质合金
硬质合金是粉末冶金工具材料一种，重要用于制造高速切削硬而韧材料刀具，制造某些冷作模具、量具及不受冲击、震动高耐磨零件。

1. 硬质合金性能特点
1）具备很高常温硬度（69-81HRC），高热硬性（可达900-1000℃），优良耐磨性。

2）具备较高抗压强度（可达6000MPa），但抗弯强度较低；
3）良好耐蚀性（抗大气、酸、碱等）和抗氧化性；
4）线膨胀系数小。

2 硬质合金应用
1）用作刀具材料。

硬质合金作刀具材料用量最大，如车刀、铣刀、刨刀、砖头等；
2）用作模具材料。

用硬质合金作模具重要是指冷作模，如冷拉模、冷冲模、冷挤压模和冷镦模等；
3）用作量具及耐磨零件。

如千分尺、块规、塞规等。

二）含油轴承材料
含油轴承材料是一种具备多孔性粉末冶金材料，惯用以制造轴承零件。

这种材料压制成轴承后，放在润滑油中浸润，由于粉末冶金材料多孔性，在毛细现象作用下，可吸附大量润滑油，故称为含油轴承。

惯用含油轴承有铁基和铜基具有轴承两类
1. 铁基含油轴承：是铁-石墨（0.5-3%）粉末冶金材料，硬度为30-110HBS，或铁-硫（0.5-1%）-石墨（1-2%）粉末冶金材料，硬度为35-70HBS；
2. 铜基含油轴承：惯用是青铜粉末与石墨粉末制成冶金材料，它具备较好导热
性、耐蚀性，但承压能力较铁基含油轴承小。

含油轴承材料普通用于制作中速、轻载荷轴承，特别适当制作不能经常加油轴承，如纺织机械、电影机械、食品机械等轴承。

三）、铁基构造材料
铁基构造材料是以碳钢和合金钢粉末为重要原材料，采用粉末冶金办法制作构造零件。

用此类材料制作构造零件具备制品精度高，表面粗糙值低，不需要或只需少量切削加工，节约材料，提高生产率等特点。

制品还可通过热解决办法强化和提高耐磨性。

此类材料广泛用于制作各种机械零件，如机床上调节垫圈、调节环等，汽车制造中油泵齿轮等。